Пеннов инжењери демонстрирају метаматеријал који може ријешити једнаџбе

Надер Енгхета, из центра, заједно са члановима лабораторија Брианом Едвардсом и Насимом Мохаммади Естакхријем позирају са својим метаматеријалним уређајем за решавање једначина. Облик и образац отвора за ваздух дизајниран је за рад са микроталасним пећницама. Исти принципи се могу применити на инфрацрвене или видљиве светлосне таласе, што би омогућило да се уређај смањи на микрочип. (Фотографије: Ериц Суцар)

Поље метаматеријала укључује дизајнирање сложених, композитних структура, од којих неке могу манипулирати електромагнетским таласима на начине који су немогући у природно насталим материјалима.

За Надера Енгхета са Техничке и примењене науке Универзитета у Пенсилванији, један од највиших циљева на овом пољу био је дизајнирање метаматеријала који могу решити једначине. Овај „фотонски рачун“ би радио кодирањем параметара у својства долазног електромагнетског таласа и слањем га кроз метаматеријални уређај; Једном унутра, јединствена структура уређаја манипулише таласом тако да излази кодирана с рјешењем унапријед постављене интегралне једнаџбе за тај произвољни улаз.

У раду који је недавно објављен у часопису Сциенце, Енгхета и његов тим су први пут демонстрирали такав уређај.

Њихов доказ о концепту експеримента је изведен са микроталасним таласима, јер су њихове велике таласне дужине омогућиле лакши конструкцију уређаја за макро-скали. Међутим, принципи који стоје иза њихових налаза могу се спустити на светлосне таласе, на крају пристајући на микрочип.

Такви метаматеријални уређаји би функционисали као аналогни рачунари који раде са светлошћу, а не са електричном енергијом. Могли су да реше интегралне једначине - свеприсутне проблеме у свакој грани науке и инжењерства - наредбе величине брже од својих дигиталних колега, користећи притом мање енергије.

Енгхета, Х. Недвилл Рамсеи, професор на катедри за електротехнику и системско инжењерство, спровели су студију заједно са члановима лабораторије Насим Мохаммади Естакхри и Бриан Едвардс.

Овај приступ има своје корене у аналогном рачунању. Први аналогни рачунари решавали су математичке проблеме користећи физичке елементе, као што су клизна правила и скупови зупчаника, који су манипулисани прецизним начинима како би се дошло до решења. Средином 20. века електронски аналогни рачунари су заменили механичке, а низ отпорника, кондензатора, индуктора и појачала заменио је сат својих претходника.

Такви рачунари су били врхунски, јер су могли одједном решити велике табеле информација, али били су ограничени на класу проблема са којима су претходно осмишљени да реше. Појава реконфигурабилних, програмибилних дигиталних рачунара, почевши од ЕНИАЦ-а, изграђеног у Пенну 1945. године, учинила их је застарелим.

Како се поље метаматеријала развијало, Енгхета и његов тим смислили су начин да концепте иза аналогног рачунања уведу у 21. век. Објављујући теоријску контуру за „фотонски рачун“ у науци 2014. године, они су показали како пажљиво осмишљени метаматеријал може изводити математичке операције на профилу таласа који пролази мислиом, попут проналаска првог или другог деривата.

Сада су Енгхета и његов тим изводили физичке експерименте који потврђују ову теорију и проширујући је да би решили једначине.

„Наш уређај садржи блок диелектричног материјала који има врло специфичну расподелу отвора за ваздух“, каже Енгхета. „Наш тим воли да га зову„ швајцарски сир. “

Швајцарски материјал за сир је врста полистиренске пластике; његов запетљан облик исклесан је ЦНЦ глодалицом.

„Контрола интеракција електромагнетних таласа са овом швицарском метаструктуром сира је кључ за решење једначине“, каже Естакхри. "Једном када је систем правилно састављен, оно што извлачите из система је решење интегралне једначине."

„Ова структура“, додаје Едвардс, „израчуната је кроз рачунски процес познат као„ обрнути дизајн “, који се може користити за проналажење облика за које ниједан човек не би помислио да покушава“.

Сложени узорак „швајцарског сира“ од пластичног материјала и ваздушних отвора у уређају постепено повија облик долазног таласа док пролази кроз њих.

Образац шупљих региона у швајцарском сиру унапред је одређен да реши интегралну једначину са датом „језгром“, делом једначине који описује однос између две променљиве. Ова општа класа таквих интегралних једначина, позната као „Фредхолмове интегралне једначине друге врсте“, је уобичајени начин описивања различитих физичких појава у различитим научним областима. Унапред постављена једначина може се решити за било који произвољне улазе, који су представљени фазама и величинама таласа који се уводе у уређај.

„На пример, ако покушавате да планирате акустику концертне дворане, могли бисте да напишете интегралну једначину где улази представљају изворе звука, као што су положај звучника или инструмената, као и то колико гласно свирају. Остали делови једначине би представљали геометрију просторије и материјал од кога су изграђени зидови. Решавање те једначине дало би вам јачину звука у различитим тачкама концертне дворане. "

У интегралној једначини која описује однос између извора звука, облика просторије и јачине звука на одређеним локацијама, карактеристике просторије - облик и материјална својства зидова - могу се представити језгром једначине. Ово је део који истраживачи Пенн инжењеринга могу да представе на физички начин, прецизним распоредом рупа за ваздух у свом метаматеријалном швајцарском сиру.

„Наш систем вам омогућава да промените улазе који представљају локације извора звука мењајући својства таласа који шаљете у систем,“ каже Енгхета, „али ако желите да промените облик просторије, на пример, мораћете да направите ново језгро. "

Истраживачи су спровели експеримент са микроталасима; као такав, њихов уређај био је тежак отприлике два квадратна метра, или око осам таласних дужина и четири таласне дужине.

„Чак и у овој фази доказаног концепта, наш уређај је изузетно брз у поређењу са електроником“, каже Енгхета. "Помоћу микроталаса, наша анализа је показала да се решење може добити у стотинама наносекунди, а када га одведемо до оптике, брзина би била у пикосекунди."

Величина уређаја са доказом о концепту пропорционална је таласној дужини микроталасних пећница, а одабрана је ради лакше израде швајцарског сира.

Смањивање концепта до размере где би могао да делује на светлосним таласима и постављање на микрочип не само да би их учинило практичнијим за рачунање, већ би отворило и врата другим технологијама које би им омогућиле да буду више попут вишенаменских дигиталних рачунара оно прво постало је аналогно рачунање застарело пре више деценија.

„Могли бисмо да користимо технологију иза ЦД-а који се могу преписивати да направимо нове швајцарске сиреве по потреби“, каже Енгхета. „Неки дан ћете можда моћи да одштампате свој аналогни рачунар који се може конфигурисати код куће!“

Истраживање је подржала Основна истраживачка канцеларија помоћника министра одбране за истраживање и инжењерство кроз програм стипендирања Ванневар Бусх Факултета и Канцеларија за поморска истраживања путем грантова Н00014–16–1–2029.